Характеристика защитных свойств наружных ограждений зданий. Взаимосвязь процессов тепло- воздухо- и влагопереноса в ограждающих конструкциях.

Ограждения зданий должны обладать требуемыми тепло­защитными свойствами и быть в достаточной степени воздухо и влагонепроницаемыми.

Теплозащитные свойства наружных ограждений опре­деляют двумя показателями: величиной сопротивления теп­лопередаче R₀ и теплоустойчивостью, которую оценивают по величине тепловой инерции ограждения D. Величина R₀ определяет сопротивление ограждения передаче теплоты в стационарных условиях, а теплоустойчивость характери­зует сопротивляемость ограждения передаче изменяющихся во времени периодических тепловых воздействий.

В зимних условиях теплозащитные свойства ограждений принято характеризовать в основном величиной R₀, а в летних — их теплоустойчивостью. Это объясняется тем, что для зимы характерны относительно устойчивые низкие температуры вне здания и постоянная внутренняя температура, которую обеспечивает система отопления. Летом характерны периодические суточные изменения температуры и солнечной радиации и внутри здания температура часто не регулируется.

Наиболее важным является определение расчетного сопротивления теплопередаче R₀ основной части (глади) конструкции ограждения, с чего обычно и начинают тепло­технический расчет ограждения. Необходимо соблюдать условие, чтобы R₀ было равно или больше минимально допустимого по санитарно-гигиеническим и технологиче­ским соображениям (требуемого) сопротивления R₀ теп­лопередаче

Ro≥R₀^тр (2.41)

Однако это условие необходимое, но не достаточное, так как при определении R₀ должны учитываться также технико-экономические показатели. Если оказывается, что эконо­мически целесообразное сопротивление R₀^эктеплопередаче ограждения больше R₀^тр

R₀^эк >R₀^тр (2.42)

то расчетное сопротивление должно определяться по усло­вию

Ro≈R^эк (2.43)

В этом случае сопротивление R₀ больше минимально допустимого R₀^тр и целесообразно в экономическом отношении. Таким образом, R₀ должно быть приблизительно равно большему из значений R₀^эк и R₀^тр

После определения R₀ глади ограждения необходимо проверить теплозащитные свойства двухмерных элементов конструкции (стыки, углы, включения). Необходимым и достаточным условием этого расчета является отсутствие выпадения конденсата на поверхностях конструкций.

Для расчета теплопотерь и тепловых условий в помещении необходимо, кроме R₀, рассчитать приведенное сопротивление R₀^пр теплопередаче реального сложного ограждения с учетом его двухмерных элементов.

Для зданий, расположенных в южных районах, дополнительно проверяют теплоустойчивость ограждений в расчетных летних условиях.

Недостаточную теплоустойчивость ограждения для зимнего периода года учитывают увеличением его сопротивле­ния теплопередаче при расчете R₀^тр.

Для заполнений оконных и дверных проемов теплоза­щитные свойства регламентируются только сопротивлением теплопередаче конструкции, которое должно быть не ниже требуемого, установленного СНиП.

Допустимая воздухопроницаемость окон, дверей, стыков конструкций, стен и перекрытий зданий определяется нор­мируемыми величинами: сопротивления R₀^тр воздухопроницанию, расхода воздуха, дополнительными затратами теплоты, понижением температуры конструкции при инфильтрации.

Влагозащитные свойства ограждения должны исключать переувлажнение материалов атмосферной влагой и за счет диффузии водяных паров из помещения.

Процессы передачи теплоты, фильтрации воздуха и пе­реноса влаги взаимосвязаны и одно явление оказывает влияние на другое, поэтому определение сопротивлений тепловоздухо и влагопередаче должно проводиться как общий расчет защитных свойств наружных ограждений здания.

1. Требуемое сопротивление теплопередаче ограждения. Санитарно-гигиенические требования ограничивают пони­жение температуры τ_в на внутренней поверхности ограждений значением допустимой температуры τ_в^доп. Темпера­тура τ_в^доп должна быть такой, чтобы человек, находясь около ограждения, не испытывал интенсивного радиационного охлаждения (должно удовлетворяться второе условие ком­фортности). Кроме того, как правило, на ограждениях недопустима конденсация, поэтому температура τ_в должна быть выше температуры t_т._р точки росы воздуха в помещении.

Формулу для определения требуемого сопротивления теплопередаче R₀^тр можно вывести, приняв за основу стационарные условия и записав R₀ ввиде

(2.44)

В (2.44) необходимо подставить регламентированные величины характеристик, чтобы получить R₀^тр

В СНиП даны значения температуры t_B помещений различного назначения и расчетные перепады температуры

Для отдельных ограждений на расчетную разность температуры — вводят поправочный коэффициент n, зна­чения которого приведены в СНиП. Коэффициент n учиты­вает фактическое уменьшение расчетной разности температуры для ограждений, которые отделяют отапливаемые по­мещения от неотапливаемых и непосредственно не омываются наружным воздухом. Для определения фактического перепада температуры нужно составить тепловой баланс неотапливаемого помещения и определить температуру воздуха в нем.

Формула R^T₀^P с учетом регламентации величин, входящих в (2.44), может быть записана в виде

(2.47)

3. Приведенное сопротивление теплопередаче ограждения.

Конструкции ограждений зданий из крупноразмерных элементов имеют определенное своеобразие. В стеновых панелях большие оконные проемы, размеры самих панелей небольшие и примыкание перегородок и междуэтажных перекрытий к ним занимает относительно большую площадь. Панели обычно имеют бетонные ребра, обрамления или гибкие металлические связи, которые создают в толще теплоизоляционного слоя теплопроводные включения. По площади наружной стены практически нет участков, в пределах которых передачу теплоты можно было бы считать одномерной. За счет перечисленных конструктивных особенностей потери теплоты по всей площади ограждения оказываются часто большими, чем рассчитанные в предположении одномерности температурного поля. Точный расчет может быть выполнен путем определения температурного поля конструкции с учетом всех ее особенностей на ЭВМ.

Для правильного расчета теплопотерь через ограждения сложной конструкции используют понятие приведенного сопротивления теплопередаче ограждения R₀^тр . Приведенным называют сопротивление теплопередаче глади однородного ограждения R₀^тр ограждения, теплопотери через которое равны теплопотерям сложного ограждения при одинаковой площади.

Характерные для наружной панели двухмерные элементы — это наружный угол, оконный откос, стык внутренних конструкций с наружной стеной и теплопроводные вклю­чения. В результате рассмотрения теплопередачи в двух­мерных элементах определены факторы формы для каждого случая

Величины показывают, во сколько раз теплопотери через характерный двухмерный элемент шириной в два калибра αf_B—2R₀ λи длиной 1= 1 м больше основных по глади ограждения такой же площади. Общие потери теплоты ог­раждением, имеющим несколько двухмерных элементов, с различными значениями αf_i и разной протяженности l_i можно определить в виде суммы

(2.54)

где R₀, A₀ — сопротивление теплопередаче глади и площадь ог­раждения.

В то же время величина Q с помощью R₀ может быть выражена в виде

(2.55)

Приравнивая правые части уравнений (2.54) и (2.55), получим аналитическую зависимость для определения приведенного сопротивления теплопередаче ограждения

где r— коэффициент теплотехнической однородности ограждения.

По формуле (2.56) можно определить R₀^пр Для ограждения, в котором для всех элементов с двухмерными температурными полями определены факторы формы. Для много­слойных панелей, имеющих сложные обрамляющие ребра, включения и т. д., значения R₀^пр могут быть получены расчетом температурного поля на ЭВМ.

В СНиП приведены значения r для наиболее распространенных конструкций трехслойных панелей с ребрами и теплоизоляционными вкладышами, а также панелей с гибкими металлическими связями.

4. Требуемая теплоустойчивость ограждения.

Теплоустойчивость наружных ограждений не должна допускать больших изменений температуры внутренней поверхности: зимой — при разовых понижениях температуры в периоды похолодания, летом — при суточных колебаниях темпера­туры и интенсивности солнечной радиации.

При выборе зимней расчетной температуры t_н принимается во внимание тепловая инерция ограждения, поэто­му расчет R₀^тр одновременно учитывает теплоустойчивость ограждения при понижении температуры в период резкого похолодания.

В летних условиях теплоустойчивость ограждений должна обеспечивать колебание температуры внутренней поверх­ности

Определение амплитуды необходимо проводить при t_n=const в условиях расчетных летних суток при колебаниях условной наружной температуры, учитывающей совместное действие наружной температуры и солнечной радиации. Проверки на теплоустойчивость для летних условий не требуется, если тепловая инерция ограждения D>4 для стен, D>5 для покрытий и при tv11<21 °C.

Теплоустойчивость полов определяется в СНиП пока­зателем теплоусвоения поверхности пола Y_п, который для простейшего случая однородной конструкции или при D_x^0,5 принимается равным

Y_n = 2s₁. (2.58)

Его величина должна быть не более нормируемого зна­чения , которое для помещений повышенной обеспеченности равно 12 Вт/м², высокой — 14 и средней обеспечен­ности — 17. Для помещений при температуре поверхности пола больше 23 °С величина Y_п не нормируется.

5. Теплозащита световых проемов и дверей. Требуемое сопротивление теплопередаче заполнений световых проемов в зависимости от разности расчетных температур внутрен­него и наружного воздуха и назначения помещений приве­дено в таблице СНиП. Его величина может изменяться от 0,15 до 0,48.

Сопротивление теплопередаче дверей (кроме балконных) и ворот следует принимать не менее 0,6 R₀^тр, определенного для стен здания.

6. Требуемые воздухо- и влагозащитные свойства ограждения. Наибольшей воздухопроницаемостью обладают окна. Воздух фильтрует через примыкание оконной рамы к откосу проема, притворы, стыки стекла с переплетом. Количество воздуха, проникающего через окно, зависит от герметичности конструкции окна, внутренних и внешних условий, этажности, а также от расположения окна в зда­нии. В таблице СНиП приведены нормируемые величины допустимой воздухопроницаемости ограждающих конструкций G^H, кг/(м²-ч), и формула пересчета этой величины в требуемое сопротивление воздухопроницанию R_и^тр, м^а*чх * Па/кг.

Наружные ограждения должны иметь сопротивление воздухопроницанию R_и не ниже требуемого R_и^тр

Внутренние перекрытия в здании, двери в квартиры, внутренние капитальные стены должны иметь максимально возможную по конструктивным решениям величину сопро­тивления воздухопроницанию. Это предупредит заметное перетекание загрязненного воздуха из нижних этажей в верхние, что особенно важно для многоэтажных зданий.

Влагозащитные свойства конструкции должны быть такими, чтобы влажность материалов ограждений при нор­мальных условиях эксплуатации была не больше допустимой. Допустимые приращения влажности различных материалов в конструкции к концу периода влагонакопления и требование недопустимости накопления влаги в ограждении за годовой период даны в СНиП. Для предупреждения переувлажнения материалов рекомендуется внут­ренние слои ограждения делать более плотными и менее паропроницаемыми. Сопротивление паропроницаемости внутренней части конструкции для помещений влажных и с нормальным влажностным режимом должно быть больше требуемого. Желательно, чтобы оно было больше сопротивления паропроницаемости наружной части ограждения в 1,2 (при нормальной влажности помещения) и в 1,5 раза (для влажных помещений). Наружные ограждения помещений с сухим режимом, однослойные или герметичные конст­рукции имеют удовлетворительный влажностный режим. Остальные случаи требуют проверки влажностного режима ограждения расчетом. В многослойных ограждениях с непроницаемыми внутренними и наружными слоями утеплитель не должен иметь повышенной влажности.

В районах с продолжительными дождями и ветром необходимо применять наружные стены с водонепроницаемым слоем с наружной стороны или с экраном.

Теплотехнический расчет наружных ограждений для холодного периода года. 2 условия определения требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций в соответствии с требованиями СНиП ІІ – 3 – 79* « СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА».

1.1. Общие положения

При проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха важнейшей задачей является теплотехнический расчет наружных ограждений здания. Теплотехнические качества наружных ограждений определяют тепловую мощность систем теплоснабжения и отопления, а значит, и затраты тепла на отопление.

Правильно выбранная конструкция ограждения должна обеспечивать его эффективные теплозащитные свойства в течение зимнего периода, а также соответствовать требованиям теплоустойчивости резким колебаниям температуры наружного воздуха в летний период эксплуатации.

Теплотехнический расчет включает:

– определение коэффициентов сопротивления теплопередаче наружной стены и чердачного перекрытия (или бесчердачного покрытия);

– проверку конденсации водяных паров на внутренней поверхности наружного ограждения;

– расчет теплоустойчивости наружной стены для летнего периода года.

1.2. Теплотехнический расчет наружного ограждения

В зимних условиях, для которых характерны устойчивые температуры наружного воздуха и постоянство температуры внутреннего воздуха, обеспечиваемое работой систем отопления, вентиляции и кондиционирования, процесс теплопередачи через наружные ограждения можно считать стационарным. Поэтому в зимнее время теплозащитные качества ограждения характеризуются величиной сопротивления теплопередаче R₀, рассчитываемой для условий стационарного режима.

Сопротивление теплопередаче наружного ограждения равно

R₀ = R_в + R_к + R_н, (1)

где R_в – сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности, м²∙К/Вт, равное R_в = 1/ ; – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²∙К), [СНиП ІІ – 3 – 79^* -[1], табл.4^*]; R_н – сопротивление теплоотдачи наружной поверхности, м²∙К/Вт, равное R_н = 1/ ; – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²∙К), (прил.1); R_к – термическое сопротивление ограждающей конструкции с последовательно расположенными однородными слоями, м²∙К/Вт.

Величина R_к определяется как сумма термических сопротивлений отдельных слоев

R_к = R₁ + R₂ + ∙∙∙ +R_n + R_в.п, (2)

где R₁, R₂,…, R_n – термические сопротивления отдельных слоев ограждения, м²∙К/Вт; R_в.п – термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки [СНиП, прил.4].

Термическое сопротивление каждого слоя однородной ограждающей конструкции R₁, R₂,…, R_n определяется по формуле

, (3)

где – толщина слоя, м; – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м∙К), принимаемый с учетом зоны влажности района строительства [1, прил. 1^*] или [Щекин, табл.1.3.] и условий эксплуатации ограждения [1, прил.2^*] .

Теплотехнический расчет наружных ограждений базируется на условии, что сопротивление теплопередаче ограждения R₀ должно быть не менее требуемого , м²∙К/Вт:

. (4)

СНиП II-3-79^* “Строительная теплотехника” [1] регламентирует определение требуемого сопротивления теплопередаче по двум условиям: санитарно-гигиеническим и условиям энергосбережения.

Требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, равно

, (5)

где t_в – расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С, принимаемая согласно ГОСТ 12.1.005-88, требованиям СНиП 2.04.05-86 “Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха”, (1987), либо нормам проектирования зданий и сооружений; t_н – расчетная зимняя температура наружного воздуха, ⁰С принимаемая в соответствии со СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» [2] или по [Щекин, табл. 1.3] и равная температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92; n – коэффициент уменьшения расчетной разности температур для ограждений, которые отделяют отапливаемые помещения от неотапливаемых и непосредственно не омываются наружным воздухом (принимается по [1, табл.2^*]; – нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции (принимается по [1, табл.2^*]; – то же, что в формуле (1).

В соответствии со СНиП II-3-79^* [1] вводится определение требуемого сопротивления теплопередаче из условия энергосбережения, требующего усиления теплозащитных свойств наружных ограждений. Ввод в действие этих требований предусматривается в два этапа.

Значения , которые должны приниматься при проектировании и строительстве зданий на 1-м этапе, начиная с 1 июля 1996, приведены в [1, табл.1а^*], а для 2-го этапа (для строящихся, реконструируемых и капитально-ремонтируемых зданий, начиная с 1 января 2000 г.) – в [1, табл.1б^*].

Эти таблицы приведены также в прил. 4.

При этом требуемое сопротивление теплопередаче рассматриваемой ограждающей конструкции определяется по вышеназванным таблицам методом интерполяции в зависимости от величины градусо-суток отопительного периода (ГСОП), ⁰С∙сут:

ГСОП = (t_в – t_от.пер)∙z_от.пер, (6)

где t_от.пер – средняя температура за отопительный период (период со средней суточной температурой наружного воздуха ниже или равной 8⁰С [2] или [Щекин]), ⁰С; z_от.пер – продолжительность отопительного периода ([2] или [Щекин]), сут.

По результатам расчетов требуемых сопротивлений теплопередачи, рассчитанных исходя из двух условий – санитарно-гигиенических и условий энергосбережения, в качестве расчетной принимается большая величина.